基于激光诱导击穿光谱的土壤重金属污染研究 19600字 维普 15%.docx

沈阳理工大学学士学位论文38摘要现代社会发展飞快，人类的一些活动污染了土壤。一些重金属元素随污水、废材渗入了地下水、空气、土壤中。通过循环最终又回到人体。这会对人体造成很大的伤害。因此，能够快速检测土壤中重金属污染物是很重要的。激光诱导击穿光谱就是一个很好的选择。它可以在线多元素同时检测。现在激光诱导击穿光谱已经在很多领域都有应用。通常情况下，激光诱导击穿光谱（英文简称LIBS）将能细分为两大类别，其中包含单脉冲LIBS，与此同时，还涵盖双脉冲LIBS。在此之中，后者实为当前尤为典型的光谱增强技术之一，不仅含有LIBS的诸多优势，又有效提高LIBS的检测能力。而双脉冲LIBS又包括共线型LIBS、正交再加热型LIBS以及正交预激发型LIBS检测。本文主要使用双脉冲LIBS的方式之一—正交再加热型LIBS，并基于下述方面进行研究：在此实验过程中，致力于构建科学完善的双脉冲LIBS系统，并持续完善两脉冲的空间位置关系以及各项实验参数。首先使用单脉冲检测出土壤中峰最明显的重金属元素—钴。通过MATLAB数据处理后得到在单脉冲LIBS检测下，钴原子的净信号，背景信号以及信背比。随后选用正交再加热型LIBS检测光路来检测钴原子在双脉冲LIBS情况下的净信号，背景信号以及信背比。对比单脉冲和双脉冲LIBS检测得到的数据后发现，双脉冲LIBS检测出的Co原子波形比较符合高斯分布。在双脉冲LIBS检测中，Co原子的净信号是单脉冲LIBS检测净信号的1.9倍。在双脉冲LIBS检测中，Co原子的信背比是单脉冲LIBS检测净信号的1.4倍。因此，双脉冲LIBS检测获得的结果要比单脉冲LIBS检测更加优越。关键词：LIBS；重金属；土壤；光谱；双脉冲；目录摘要11.1引言11.2激光诱导击穿光谱简介31.3单脉冲和双脉冲LIBS技术31.3.1三种常见的双脉冲LIBS方案61.4其他类型的LIBS检测简介72双脉冲激光进行LIBS检测的设备及原理方法92.1实验设备简介92.2实验原理112.2.1等离子体的基本性质112.2.2布线轮廓及谱线展宽142.3样品的定性及定量分析152.3.1LIBS的定性分析162.3.2LIBS定量分析163实验过程介绍193.1实验光路193.2搭建光路213.3装置参数及操作流程223.3.2操作流程224数据处理254.1单脉冲LIBS数据处理254.1时间演化264.2脉冲能量对光谱的影响284.3单双脉冲LIBS的对比305.总结321绪论1.1引言土壤的基本含义为：地球中存在的可促进多样化植物生长的疏松物质，其实为典型的不可再生资源。关于土壤，大家都知道土壤的根本作用是给生活在地球上的各种植物动物提供生长必须的要素—水和营养。植物的根也是通过土壤来延伸扩张。尽管现在水培也是一种种植方法，但是植物的生长不能离开土壤，土壤中发生的一次次生物、化学、物理反应都为植物提供了生长的条件。而如今，随着人类数量急剧增长，工业迅速发展，有害的废水渗透进入土壤，垃圾填埋及倾倒等一系列人类活动，将会使得土壤当中蕴含各种类型的有害物质，当多样化有害物质过分富集，则土壤将无法基于自身所含的净化能力对这些污染进行消化。因此，土壤在经由污染物的作用下将会改变自身的内在结构以及部分功能，一旦其中微生物所进行的活动受到污染物的制约，则将会使得有害物质过分聚集，并经由相应的循环作用进入人体，从而危及人类自身的身体健康。现如今，尤为典型的污染元素主要涵盖铜（Cu）、铬（Cr）、铅（Pb）、锌（Zn）、镍（Ni）、钴（Co）等。土壤污染和水污染不同，土壤污染是长期积累而成的。它隐蔽，初期不易被发现，潜伏的时间较长。我们知道，大自然和微生物等可以降解有机污染物。但是重金属化合物非常难以被分解。正因如此，受到重金属化合物的污染的生态环境是很难恢复健康的。中国人口数量多，地域面积大，但是人均占有的水资源很少。在世界上排名是比较落后的。在整体水资源暂不足够的情况下，农业灌溉用水又被工业用水、城市生活用水占用。特别是北方地区，还面临干旱的恶劣天气。因此，如果无法提供充足的农业灌溉用水，则将必须基于污水灌溉等基本方式进行弥补。但是现今进行污水灌溉的污水，通常并未经过严格的处理。污水中的重金属元素污染了土壤，地下水和农作物。农作物中若含大量重金属则会导致农作物生长紊乱，会导致农作物品质下降，产量降低。例如铅元素超标会使植物氧化，光合作用受到影响从而妨碍植物的生长。除此之外，铅元素会对人的脑细胞造成非常大的伤害。导致智力下降，生长缓慢。而且人类通常无法代谢此类元素。当处于自然界环境下，Cr往往表现为三价亦或为六价，但当处于水溶液环境下，Cr往往表现为六价形式。值得一提的是，六价铬将会对人类的身体健康带来不利的影响。故而若废水中存在六价铬，则长此以往，这些六